植保无人机创新设计研究

张秋艳　龙鑫　高婧

摘要：现在农村农业生产活动越来越趋向于现代化和机械化，但是除草、除虫、施肥等植保工作机械化程度较低，并且会花费大量的时间和精力。现在植保机械化主要依靠植保无人机，而植保无人机面临续航短、专业性强、费用高等问题，造成推广困难。文章通过对植保无人机进行系统化的整合设计，建立自助柜和手机预约植保活动系统，然后对无人机的结构进行再设计。以期解决植保无人机在农田应用中续航短、专业性强、费用高的问题，从而提升植保效率，進一步促进农业机械化。

关键词：农村农业;机械化;植保无人机;系统化设计

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2021）11-0052-02

党的十九大报告指出：“构建现代农业产业体系、生产体系、经营体系”。因此，不能把眼光仅仅局限在良种良法结合、农机农艺配套等具体农业科技上，更要注意高速互联网的全面覆盖，在促进生产力发展的同时对农村生产关系的影响。虽然科技的进步对农业的智能化、机械化发展有一定的促进作用，但是现在农村仍面临着基础薄弱、农村基础设施建设不完善、劳动力不足、粮食需求量大等问题的多重打压。根据生产性基础设施方面的调研结果发现，现在农业生产中最重要的问题是缺乏科学的管理;虽然播种、松土，乃至收获都实现了机械化与自动化，减少了农民的劳作。但是除草、除虫、施肥等植保工作仍占据农业生产过程中一半的劳动量，并且会花费农田管理者大量的时间和精力，只有这些工作实现机械化，才会使农业真正实现机械化、自动化，从而推动农业的现代化发展。

1植保无人机的现状与存在问题

我国是一个农业生产大国，一直以来，我国农作物病虫害的防治都是农业生产中的重点、难点问题，而植保无人机具有作业效率高、性能优越、应对突发灾害能力强等优点，因此成为植保机械化的不二选择。但是，现在植保无人机的发展仍面临着一些问题：（1）由于电池续航能力不足，植保无人机在作业过程中不得不采用频繁更换电池的方式维持工作，因此需要人力跟踪更换电池，植保无人机不能离开劳动力单独行动。这也导致了晚间因劳动力视线受阻，植保无人机无法在晚间工作，极大地减少了植保无人机的实际工作时间;（2）因为植保无人机往返和更换电池的过程消耗了很多时间，导致每小时的实际平均工作时间仅为30～40分钟，并且需要把大量的备用电池带到田间地头，降低了工作效率，也提高了使用成本;（3）现阶段大多数植保无人机的标准配备控制在4～6万元，但实际生产中需要更多的备用电池，导致实际成本显著提高，且专业操作人员的工时费和植保无人机的后续使用与维修的费用也较高，增加了农民的使用负担。

2植保无人机使用场景分析

植保无人机主要分为旋翼植保无人机和固定翼植保无人机。当前植保作业领域运用较为广泛的是旋翼植保无人机。

旋翼植保无人机主要由动力系统、桨叶、机身和操控系统组成，具有体积较小、结构简单、控制比较灵活、具备自主飞行和着陆能力等特点。旋翼植保无人机的优点是适用于地形复杂的作业环境，可满足中小田块的喷洒要求。在作业过程中，螺旋桨所产生的空气涡流可提高喷洒的效率，缺点是作业耗油量、耗电量较大，单次作业时间短，需频繁更换电池，使用效率低。

固定翼植保无人机是固定的机翼，机体是模块化的，起降系统简单安全，并且可以按照多种模式自动执行植保任务，可以满足不同的植保需求。但是固定翼植保无人机对环境适应能力较差，需要专业人员操控作业，不能离开专业人员单独工作，人力成本较高，且夜间人的视线受阻，也无法独立工作。

3植保无人机的创新设计意义

植保无人机的创新设计针对现存的问题，建立了一个自动化、集约化的共享式植保农业生产系统，即能帮助农民完成除草、除虫、施肥等植保工作。此系统可以让农田管理者在手机或者自助柜的屏幕上选择农田，并进行植保预约活动。植保无人机可根据GPS定位系统到达指定地点进行相应的植保工作，并将工作进度和完成情况反馈给预约者，无需农田管理者和专业操作人员实际到田间监督观测就可完成植保任务。创新设计不仅可以解决因晚上专业人员视线差导致的植保无人机晚上不能工作的问题，同时又不需要专业人员到现场实时监测，极大地节省了人力成本。此外，对农田管理者而言，足不出户就可完成农田的植保工作，省时、省心、省力。

4植保无人机的创新设计思路

4.1全自动农业生产系统设计

全自动农业生产系统是针对农村农业生产过程中的除草、除虫、施肥等植保工作进行的设计，是一个自动化、集约化的共享式农业生产系统，系统操作流程如图1所示。全自动农业生产系统可全天使用，因不需专业人员操作就可独立完成植保任务。因此，此系统不受夜晚光线限制，从而大大提高了工作效率。全自动农业生产系统由政府与企业联合，政府出资，企业进行技术和设备援助，并根据农田面积及农村分布情况设立自助柜。自助柜不仅可以进行植保活动的预约，同时又是植保无人机存放和补充能源的场所。农民根据自身需要在自助柜或手机上进行预约，预约内容包括：作业时间、作业地点、作业项目（除草、除虫、施肥）、化肥种类及浓度。农民在手机或自助柜上支付费用后，全自动植保无人机可根据预约信息自动进行相应植保作业，预约完成后可实时查看植保无人机的操作进度，植保无人机作业完成后自动回归自助柜自动充电，并将相关作业完成信息发送给对应预约用户。

4.2自助柜设计

自助柜的主要功能是帮助用户完成预约、植保无人机的能源补给及存放工作。自助柜外部由顶棚、照明灯、广告显示屏、药量显示屏、电量显示屏组成，如图2所示;自助柜内部由药箱、水箱、水管道、药管道、植保无人机和充电底座组成，如图3所示。

自助柜外部的顶棚可以保护自助柜避免受到阳光和雨水的损害，并且可以为使用人员提供遮阴避雨的场所;照明灯可以为使用者夜间操作提供照明环境，方便使用者完成工作;药量显示屏可以清晰地告知用户自助柜剩余的药量，并且药量显示屏连接着维保系统，药量过低时会在维保系统发出警告，提醒维保人员及时为此自助柜补充药量;电量显示屏可以清晰地告知使用者植保无人机的当前电量状态，方便用户进行选择;自助柜内部的药箱是储存药品的，对应药箱会根据预约内容通过管道填充到无人机的药箱内;水箱连接当地灌溉系统可自动补水;药品管道及注药管道是为了使药箱内的药品进入无人机的药箱内;充电底座可快速对植保无人机进行快速充电。

4.3植保无人机设计

植保无人机是全自动农业生产系统设计中最重要的部分之一（如图4），是进行作业的关键。植保无人机需有除草、除虫、施肥、自动进出自助柜、自动作业、自动充电等功能;植保无人机的电池在药箱的中间，充电口设置在最下方，方便植保无人机进入自助柜后进行自动充电;药箱在飞行控制器下方，飞行重心更稳固，注药口在药箱侧面，方便药品和水进入;此植保无人机共有四个螺旋桨，每个螺旋桨下方有一个喷头，在飞行时可以进行作业;飞行控制器上方的灯带电量充足时显示为蓝色，电量不足20%时显示为红色;支架是起支撑作用。详情构造如图5所示。

5结语

植保无人机可以完成除草、除虫、施肥工作，帮助农民减轻劳作，但是现在的植保无人机存在很多问题。因此，可以用手机进行线上植保活动预约，全自动执行无需专业人员操作，可全天24小时工作。自动化、集约化的共享式农业生产系统可以有效解决续航短，专业性强、费用高等推广难的问题。全自动农业生产系统设计在解决以上问题的同时，又可以有效的将先进的科学技术应用到农业生产中，促进植保无人机在农村的使用，从而推动农村农业机械化、智能化的进程，加快实现农村农业现代化发展的脚步。